巖土工程課件5巖土邊坡工程.ppt

1,5 巖土邊坡工程,巖土邊坡工程是巖土工程的重要組成部分。 邊坡的工作狀況直接或間接地影響工程建筑物的穩(wěn)定和安全。,維持邊坡穩(wěn)定性的方法： 1 借助擋土墻的自重來平衡墻后巖土體傳來的推力； 2 在巖土體中“釘釘子”；如錨桿，抗滑樁 3 改變土體的性質(zhì)；如加筋 本章將介紹：錨桿、抗滑樁、擋土結(jié)構(gòu)、支護(hù)結(jié)構(gòu)和巖石邊坡工程的設(shè)計和運用,2,邊坡工程研究的理論基礎(chǔ)需要多種學(xué)科的相互結(jié)合、相互滲透，不僅包括工程數(shù)學(xué)、工程力學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、巖土力學(xué)，還應(yīng)結(jié)合計算機(jī)仿真技術(shù)、巖土工程測試技術(shù)等手段。經(jīng)過100多年的研究和發(fā)展，從邊坡的規(guī)律性分析，到邊坡的變形破壞機(jī)制的研究，以及邊坡穩(wěn)定性評價和預(yù)測預(yù)報，均取得了令人矚目的成果，已初步形成邊坡工程獨立的學(xué)科體系。這一體系應(yīng)包括四大部分： 邊坡（或滑坡）的區(qū)域分布規(guī)律性研究； 邊坡的變形破壞機(jī)制研究； 邊坡的穩(wěn)定性評價和預(yù)測預(yù)報； 邊坡工程治理。,概述 邊坡工程的研究現(xiàn)狀,3,1 邊坡工程中的巖體結(jié)構(gòu)控制理論 巖土力學(xué)的發(fā)展為邊坡工程的研究奠定了基礎(chǔ)，特別是巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，其穩(wěn)定性取決于邊坡的各類結(jié)構(gòu)面的特征。中科院地質(zhì)所孫廣忠先生提出了“巖體結(jié)構(gòu)控制論”，并出版了專著巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)，孫玉科先生等將赤平投影法和實體比例投影法應(yīng)用于邊坡工程。美國學(xué)者石根華提出了“關(guān)鍵塊體理論”，主要解決被多個地質(zhì)結(jié)構(gòu)面、開挖面所切割的邊坡或硐室之穩(wěn)定性問題。南京大學(xué)羅國煜教授等提出了巖坡優(yōu)勢面控制論，認(rèn)為巖坡的變形破壞受巖坡內(nèi)的優(yōu)勢面所控制。上述理論的共同的特點是注重巖體結(jié)構(gòu)研究，各類地質(zhì)結(jié)構(gòu)面對邊坡的變形破壞起著控制作用。,4,2 邊坡工程中的分形理論 分形理論是美國數(shù)學(xué)家(B.B.Mandelbort)(1973)首次提出來的，它主要是研究自然界中一些具有自相似但沒有特征長度的圖形或現(xiàn)象，其研究方法是通過確定圖形或現(xiàn)象的分維數(shù)，以揭示該現(xiàn)象或圖形的內(nèi)在本質(zhì)和規(guī)律。 分形理論被廣泛地應(yīng)用于物理學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、巖石力學(xué)等學(xué)科中，近年來，邊坡工程中開始應(yīng)用分形理論進(jìn)行有意義的探索。研究表明，邊坡巖體結(jié)構(gòu)常呈不規(guī)則分形狀態(tài)，可以用分維來表征，利用分維可以定量地描述斷層、層理、節(jié)理、泥化夾層等宏觀結(jié)構(gòu)面的形態(tài)特征、分布、產(chǎn)狀及粗糙度等。同樣，巖體的微觀結(jié)構(gòu)面或破壞面也呈不規(guī)則的分形狀態(tài)，這種不規(guī)則反應(yīng)了巖體破壞時的能量耗散及微觀結(jié)構(gòu)效應(yīng)，也可用分維來表示。分維數(shù)是巖體變形破壞的某一統(tǒng)計特征量，分維數(shù)可以充當(dāng)巖體變形破壞變量的角色進(jìn)行巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性演化過程的分析13。 分形理論在邊坡工程的應(yīng)用有廣闊的前景，目前，三峽庫區(qū)、西北黃土地區(qū)及一些典型的滑坡體均有所應(yīng)用，在分布規(guī)律研究、機(jī)制分析和預(yù)測預(yù)報方面取得較好成果。,5,3 邊坡工程中的3S理論 在信息社會中，全球是一個開放系統(tǒng)，3S系統(tǒng)已在地學(xué)領(lǐng)域取得初步嘗試，在1996年國際巖石力學(xué)學(xué)會年會上，充分利用3S技術(shù)在巖土工程建設(shè)中的作用已引起極大注意。所謂3S系統(tǒng)是指地理信息系統(tǒng)(GIS，Geography Information System)、遙感系統(tǒng)(RS，Remote Sensing System)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS，Global Positioning System)。三者融為一體為邊坡工程的防治與預(yù)測預(yù)報提供了新一代觀測手段、描述語言和思維工具。集GIS、GPS和RS為一體的3S系統(tǒng)，是一個完整的有機(jī)整體。例如針對三峽庫區(qū)邊坡，崔政權(quán)大師率先提出“3S工程”的概念和設(shè)想，從1997年著手建立“三峽庫區(qū)邊坡穩(wěn)態(tài)3S實時工程分析系統(tǒng)”，并給出了系統(tǒng)的框圖，何滿潮教授將該系統(tǒng)按功能分為三大部分，即3S接收處理系統(tǒng)、GIS地理信息系統(tǒng)和工程分析專家系統(tǒng)。,6,4 邊坡工程中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（簡稱NN-Neural network）是指由大量簡單神經(jīng)元經(jīng)廣泛互連構(gòu)成的一種計算結(jié)構(gòu)，它是一種廣義的并行處理系統(tǒng)。人腦的認(rèn)知模式被認(rèn)為是一種并行的分布式模式，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用類似于人大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)來構(gòu)造模型仿真人大腦的功能，即把對信息的儲存和計算推理同時儲存在一個單元里。因此，在某種程度上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為可以模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)的工作過程。特別是通過抽象、簡化和模擬手段，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分反映了人腦的某些功能特征，且具有高度非線性、自組織、自學(xué)習(xí)、動態(tài)處理、聯(lián)想記憶、容錯性等特征。近年來，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開始應(yīng)用于邊坡工程的穩(wěn)定性分析和評價，對于解決復(fù)雜的邊坡系統(tǒng)工程的穩(wěn)定性問題提供了一條新的途徑。,7,5 邊坡工程中的數(shù)值計算和仿真 從70年代開始，數(shù)值計算被廣泛地應(yīng)用于邊坡工程，比較成熟的三大數(shù)值方法是有限單元法、邊界單元法和離散單元法。其中有限單元法是通過離散化，建立近似函數(shù)把有界區(qū)域內(nèi)的無限問題簡化為有限問題，并通過求解聯(lián)立方程對工程問題進(jìn)行應(yīng)力位移分析的數(shù)值模擬方法，它假定工程巖體是連續(xù)的力學(xué)介質(zhì)，并在許多的重大工程中得到應(yīng)用。邊界單元法是采用在區(qū)域內(nèi)部滿足控制條件但不滿足邊界條件的近似函數(shù)逼近原問題解的數(shù)值方法，它與有限單元法相比，具有方程個數(shù)少，所需數(shù)據(jù)量小等特點。由于巖坡的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，一些邊坡呈碎裂結(jié)構(gòu)和層狀碎裂結(jié)構(gòu)，構(gòu)成非連續(xù)性力學(xué)介質(zhì)，利用有限單元法和邊界單元法求解遇到了困難，取而代之的是離散單元法，一些學(xué)者稱其為散體元法。離散單元法由Cundall于1971年提出，該方法充分考慮了節(jié)理巖體的非連續(xù)性，以分離的塊體為出發(fā)點，將巖塊假定為剛體的移動或轉(zhuǎn)動，并允許塊體有較大的位移，甚至脫離母體而自由下落，特別適用于節(jié)理化巖體或碎裂結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡。由于其原理明了，并且容易結(jié)合CAD技術(shù)仿真邊坡變形破壞的演變過程，因此倍受人們的青睞。,8,6 邊坡工程中的可靠性分析理論 可靠性分析最早主要應(yīng)用于宇航、電子工業(yè)界，之后逐漸推廣到機(jī)械工程，可靠性分析方法從70年代開始應(yīng)用于邊坡工程領(lǐng)域，它基于對邊坡巖體性質(zhì)、荷載、工程地質(zhì)條件等的不確定性認(rèn)識，借鑒結(jié)構(gòu)工程可靠性理論方法，結(jié)合邊坡工程的具體情況，用可靠指標(biāo)或破壞概率描述邊坡工程質(zhì)量的理論體系，它較傳統(tǒng)的確定性理論能更好地反映邊坡工程實際狀態(tài)，正確合理地解釋許多用確定性理論無法解釋的工程問題，更為重要的是概率模型有助于形成新的考慮風(fēng)險與可靠性的觀念。,9,5.1 錨桿,5.1.1 概述 錨桿技術(shù)指的是在天然地層中鉆孔至穩(wěn)定地層中，插入錨拉桿，然后在孔中灌注水泥砂漿。置于穩(wěn)定地崖中的錨桿部分稱為錨固段，利用錨固段的抗拔能力，維持土體或巖體的邊坡(或地基)穩(wěn)定。,10,錨桿是一種受拉桿件，它的一端與支護(hù)結(jié)構(gòu)等聯(lián)結(jié)，另一端錨固在巖土體中，將支擋結(jié)構(gòu)和其他結(jié)構(gòu)所承受的荷載（側(cè)向土壓力、水壓力以及上浮力、傾覆力、拉拔力等）通過拉桿傳遞到穩(wěn)定巖土層中的錨固體上，在由錨固體將傳來的荷載分散到周圍穩(wěn)定的巖土層中去。 錨桿不僅可用于臨時性支護(hù)結(jié)構(gòu)，在永久性建筑工程中應(yīng)用比較廣泛。,11,應(yīng)用實例,錨桿技術(shù)是建筑工程中的一項實用新技術(shù)，在國內(nèi)外得到了廣泛的、愈來愈多的運用。,12,深圳黃貝嶺邊坡工程,13,居民住宅邊坡,14,15,16,17,18,19,山西省運城三門峽高速公路 K14+200高邊坡（高64m）治理后,20,山西省運城三門峽高速公路 K14+420整治后砂質(zhì)高邊坡,21,徽杭高速公路竹嶺隧道 西進(jìn)口左側(cè)滑坡治理工程近竣工,22,徽杭高速公路竹嶺隧道 西進(jìn)口右側(cè)高邊坡失穩(wěn)治理工程近竣工,23,徽杭高速公路竹嶺隧道 西洞口左側(cè)滑坡治理工程在施工中,24,25,26,27,1 錨桿的構(gòu)造 錨桿一般為灌漿錨桿，由拉桿、錨頭、腰梁、自由段保護(hù)套管和錨固體等組成。,28,（1）錨頭裝置,29,（2）腰梁 腰梁是傳力結(jié)構(gòu)，將錨頭的軸向拉力傳導(dǎo)支擋結(jié)構(gòu)上。腰梁設(shè)計要充分考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點、材料、錨桿傾角、受力（特別是軸向力的垂直分力的大小）等情況。,30,（3）拉桿 常用的錨桿拉桿有鋼管、粗鋼筋、鋼絲束和鋼絞線，一般把采用鋼管或粗鋼筋作拉桿的錨桿稱錨桿，而用鋼絲束或鋼絞線的稱為錨索。究竟采用荷重拉桿，主要根據(jù)設(shè)計軸向承載力和現(xiàn)有材料的情況來選擇。,31,（4）錨固體 錨固體是指處于潛在滑動面以外的穩(wěn)定土體中的錨桿尾端部分，通過錨固體與土體之間的相互作用，將拉桿的軸力傳遞到穩(wěn)定土層。錨固體提供的錨固力的大小是保證支擋結(jié)構(gòu)等穩(wěn)定的關(guān)鍵。,32,（5）自由段保護(hù)套管 自由段保護(hù)套管對自由段的錨桿起防腐和隔離作用。,33,2 錨桿的類型 （1）按拉桿材料分類 可分為：鋼管錨桿、鋼筋錨桿、鋼絲束錨桿、鋼絞線錨桿。 （2）按鎖定應(yīng)力情況分類 可分為：預(yù)應(yīng)力錨桿、普通錨桿。 （3）按使用期限分類 可分為：臨時性錨桿和永久性錨桿。,34,5.1.2錨桿計算,5.1.2.1錨桿破壞形式和承載力計算 錨桿的作用原理 當(dāng)錨桿錨固段受力時，首先通過拉桿與周邊水泥沙漿（水泥漿）固結(jié)體之間的握裹力傳到固結(jié)體中，然后通過固結(jié)體傳到周圍巖土體。傳遞過程隨著荷載的增加，拉桿與固結(jié)體之間的握裹力發(fā)揮到最大時，錨固體與巖土體之間就會發(fā)生相對位移，產(chǎn)生土與錨固體之間的摩阻力，直到極限摩阻力。,35,錨桿的破壞形式 錨桿的破壞形式通常有4種： 錨拉桿被拉斷； 拉筋(錨拉桿)從筋漿界面處脫出； 錨固體從漿土界面處脫出； 連錨帶巖土一起拔出。 前3種指的是單根錨桿的抗拔力(即承載力)問題，屬于錨桿的強(qiáng)度破壞問題； 第種即破壞面在土體內(nèi)部的破壞形式，屬于錨桿與土總體穩(wěn)定性破壞問題,36,5.1.2.2 灌漿錨桿的抗拔力（承載力計算）,37,38,39,日本錨桿協(xié)會提出的錨固段周邊的抗剪強(qiáng)度值,40,我國鐵道部科學(xué)研究院提出的錨固段周邊的抗剪強(qiáng)度值,41,5.1.3 錨桿的穩(wěn)定性驗算,42,43,44,45,5.1.4錨桿試驗與檢驗,基本試驗 基本試驗?zāi)康氖谴_定所設(shè)計的錨桿在設(shè)計位置的極限抗拔力，了解錨桿抵抗破壞時和承受荷載后的力學(xué)性狀，為錨固工程設(shè)計提供可靠的依據(jù)?；驹囼灁?shù)量不應(yīng)少于3根，其錨桿參數(shù)、材料、施工工藝、地質(zhì)條件和擬設(shè)計的錨桿相同。 驗收試驗 驗收試驗的木的是為了檢驗錨桿在超過實際拉力并接近極限拉力條件下的工作性能，及時發(fā)現(xiàn)錨桿設(shè)計施工中的缺陷，并判定工程錨桿是否符合設(shè)計要求。驗收試驗錨桿的數(shù)量應(yīng)取錨桿總數(shù)的5%，且不得少于最初施做的3根。 試驗結(jié)果的分析曲線 施工完成后待砂漿達(dá)到70%以上的強(qiáng)度才能進(jìn)行抗拔試驗，試驗開始時每級荷載按事先預(yù)計極限荷載的1/10施工，同時按有關(guān)規(guī)程讀數(shù)，最終繪制成荷載變位曲線圖和變位量穩(wěn)定時間曲線，以明顯的轉(zhuǎn)折點作為屈服拉力。,46,47,5.1.5錨桿的施工要點,5.1.5.1成孔,48,5.1.5.2安放錨拉桿,49,5.1.5.3灌漿,50,抗滑樁是防止滑坡的一種工程結(jié)構(gòu)，設(shè)于滑坡的適當(dāng)部位，一般完全埋置于地下(有時也露出地面)，樁的下段須埋置在滑動面以下穩(wěn)定地層的一定深度。,5.2.1概述,5 .2抗滑樁設(shè)計與計算,51,52,53,54,55,56,57,58,抗滑樁的分類,施工方式,打入樁,鉆孔樁,挖孔樁,材 料,木 樁,鋼 樁,鋼筋混凝土樁,截面形態(tài),圓形樁,管形樁,矩形樁,剛 度,剛性樁,彈性樁,結(jié)構(gòu)形式,排式單樁,承臺式樁,排架樁, ,59,(1) 圓樁 (2) 方樁 (3) 擋土墻,排式單樁,品字形排樁,60,61,承臺式樁,承臺式樁,62,抗滑樁的優(yōu)點,抗滑能力強(qiáng)，圬工數(shù)量小，在滑坡推力大、滑動帶深的情況下，能夠克服抗滑擋土墻難以克服的困難。(當(dāng)單排樁所承受的滑坡推力超過200噸, 樁長超過35m時需作可行性論證)。 樁位靈活，可以設(shè)在滑坡體中最有利于抗滑的部位，可以單獨使用，也可與其他構(gòu)筑物配合使用。 可以沿樁長根據(jù)彎矩大小合理地布置鋼筋(優(yōu)于管形狀、打入樁)。,63,(4) 施工方便，設(shè)備簡單。采用混凝土或少筋混凝土護(hù)壁，安全、可靠。 (5)間隔開挖樁孔，不易惡化滑坡狀態(tài)，有利于搶修工程。 (6) 通過開挖樁孔，可直接揭露校核地質(zhì)情況，修正原設(shè)計方案。 (7) 施工影響范圍小，對外界干擾小。,64,應(yīng)用實例,65,坡腳錨索樁、坡上錨索地梁加固,66,上下兩排樁加固,67,68,69,70,5.2 .2抗滑樁的設(shè)計與計算,抗滑樁設(shè)計的要求和步驟 (一) 抗滑樁設(shè)計應(yīng)滿足的要求 (1)整個滑坡體具有足夠的穩(wěn)定性，即抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足設(shè)計要求值，保證滑體不從樁頂滑出，不從樁間擠出。 (2)樁身要有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。樁的斷面和配筋合理，能滿足樁內(nèi)應(yīng)力和樁身變形的要求。 (3)樁周的地基抗力和滑體的變形在容許范圍內(nèi)。 (4)抗滑樁的間距、尺寸、埋深等都較適當(dāng)，保證安全，方便施工，并使工程量最省。,71,抗滑樁的設(shè)計任務(wù)就是根據(jù)以上要求，確定抗滑樁的樁位，間距、尺寸、埋深、配筋、材料和施工要求等。這是一個很復(fù)雜的問題，常常要經(jīng)分析研究才能得出合理的方案。 （二）抗滑樁設(shè)計計算步驟 (1) 首先查明滑坡的原因、性質(zhì)、范圍、厚度等基本條件，分析滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)、發(fā)展趨勢。 (2) 根據(jù)滑坡地質(zhì)剖面及滑動面處巖（土）的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，計算滑坡推力。,72,(3) 根據(jù)地形、地質(zhì)及施工條件等確定設(shè)樁的位置及范圍。 (4) 根據(jù)滑坡推力大小、地形及地層性質(zhì)，擬定樁長、錨固深度、樁截面尺寸及樁間距等樁參數(shù)。 (5) 確定樁的計算寬度，并根據(jù)滑體的地層性質(zhì)，選定地基系數(shù)。 (6) 根據(jù)選定的地基系數(shù)及樁的截面形式、尺寸，計算樁的變形系數(shù)（或）及其計算深度（h或h），據(jù)此判斷是按剛性樁還是按彈性樁來設(shè)計。 (7) 根據(jù)樁底的邊界條件采用相應(yīng)的公式計算樁身各截面的位移(變形)、內(nèi)力及側(cè)壁應(yīng)力等，并計算確定最大剪力、彎矩及其部位。,73,(8) 校核地基強(qiáng)度: 若樁身作用于地基的彈性應(yīng)力超過地層容許值或者小于其容許值過多時，則應(yīng)調(diào)整樁的埋深或樁的截面尺寸，或樁的間距，重新計算，直至符合要求為止。 (9) 根據(jù)計算的結(jié)果，繪制樁身的剪力圖和彎矩圖。 (10) 對于鋼筋混凝土樁，還需進(jìn)行配筋設(shè)計。,74,5.2.3 抗滑樁的計算方法,理論基礎(chǔ)：將地基土視為彈性介質(zhì)，應(yīng)用彈性地基梁的計算原理，以捷克學(xué)者溫克勒提出的“彈性地基”的假說作為計算的理論基礎(chǔ)。,計算方法,懸臂樁法,地基系數(shù)法,有限元法(矩陣分析法),m法,K法,m-k法,75,地面,地面,滑面,滑面,M,Q,懸臂樁法,受荷段,錨固段,m1,m2,76,地面,地面,滑面,滑面,地基系數(shù)法,地面,地面,m1,m2,77,抗滑樁設(shè)計的基本假定,(一)作用于抗滑樁上的力系 作用于抗滑樁的外力包括：滑坡推力、受荷段地層（滑體）抗力、錨固段地層抗力、樁側(cè)摩阻力和粘著力以及樁底應(yīng)力等。這些力均為分布力。 (1) 滑坡推力：滑坡推力作用于滑面以上部分的樁背上，可假定與滑面平行。一般假定每根樁所承受的滑坡推力等于樁距（中至中）范圍之內(nèi)的滑坡推力。,78,S,S,一般情況下，所算得的滑坡推力f為單位寬度滑體的推力，最用在樁(單排樁)上的推力應(yīng)為fs。,79,(2) 根據(jù)設(shè)樁的位置及樁前滑坡體的穩(wěn)定情況，抗滑樁可分為懸臂式和全埋式兩種。當(dāng)樁前滑坡體不能保持穩(wěn)定可能滑走的情況下，抗滑樁應(yīng)按懸臂式樁考慮；而當(dāng)樁前滑坡體能保持穩(wěn)定，抗滑樁將按全埋式樁考慮。,不能提供抗力,可提供抗力,80,(3) 巖土抗力：埋于滑床中的樁將滑坡推力傳遞給樁周的巖（土），樁的錨固段前、后巖（土）受力后發(fā)生變形，從而產(chǎn)生由此引起的巖（土）抗力作用。 (4) 樁周摩阻力：抗滑樁截面大，樁周面積大，樁與地層間的摩阻力、粘著力必然也較大，由此產(chǎn)生的平衡彎矩對樁有利。但其計算復(fù)雜，一般不予考慮。 (5) 基底應(yīng)力：抗滑樁的基底應(yīng)力，主要是由自重引起的。而樁側(cè)摩阻力、粘著力又抵消了大部分自重。實測資料表明，樁底應(yīng)力一般相當(dāng)小，為簡化計算，樁底應(yīng)力可忽略不計。,81,（二）抗滑樁的計算寬度,抗滑樁受滑坡推力的作用產(chǎn)生位移，則樁側(cè)巖土體對樁將產(chǎn)生抗力。當(dāng)巖（土）變形處于彈性變形階段時，樁受到巖（土）的彈性抗力作用。巖（土）對樁的彈性抗力及其分布與樁的作用范圍有關(guān)。 為了將空間的受力簡化為平面受力，并考慮樁截面形狀的影響，將樁的設(shè)計寬度（或直徑）換算成相當(dāng)于實際工作條件下的矩形樁寬BP，此BP稱為樁的計算寬度。,82,1試驗表明，對不同尺寸的圓形樁和矩形樁施加水平荷載時，直徑為d的圓形樁與正面邊長為0.9d的矩形樁，在其兩側(cè)土體開始被擠出的極限狀態(tài)下，其臨界水平荷載值相等。所以，矩形樁的形狀換算系數(shù)為Kf=1，而圓形樁的形狀換算系數(shù)為Kf=0.9。 2同時，由于將空間受力狀態(tài)簡化成為平面受力狀態(tài)，在決定樁的計算寬度時，應(yīng)將實際寬度乘以受力換算系數(shù)KB。由試驗資料可知，對于正面邊長b大于或等于1m的矩形樁受力換算系數(shù)KB為(1+1/b)，對于直徑d大于或等于1m的圓形樁受力換算系數(shù)KB為(1+1/d)。 故樁的計算寬度應(yīng)為： 矩形樁： 圓形樁：,83,Kf,KB,Kf,KB,附注：只有在計算樁側(cè)彈性抗力時，采用樁的正面計算寬度。計算樁底反力時，仍用樁的實際寬度。,Bp,d,b,Bp,84,3樁的截面形狀應(yīng)從經(jīng)濟(jì)合理及施工方便考慮。目前多用矩形樁，邊長23m，以1.5m2.0m及2.0m3.0m兩種尺寸的截面為常見。 (三)樁側(cè)巖（土）的地基系數(shù) 樁側(cè)巖（土）的彈性抗力系數(shù)簡稱地基系數(shù)，是地基承受的側(cè)壓力與樁在該處產(chǎn)生的側(cè)向位移的比值。 虎克定律： f=kx 彈性抗力：作用于樁側(cè)任一點y處的彈性抗力y:,xy :地層y處的水平位移，K：地基系數(shù)，Bp:樁的計算寬度。,85,(1) 認(rèn)為地基系數(shù)是常數(shù)，不隨深度而變化，以“K”表示之，相應(yīng)的計算方法稱為“K”法，可用于地基較為完整硬質(zhì)巖層、未擾動的硬粘土或性質(zhì)相近的半巖質(zhì)地層。 (2) 認(rèn)為地基系數(shù)隨深度按直線比例變化，即在地基內(nèi)深度為y處的水平地基系數(shù)為K=my或K=K0+my，相應(yīng)這一假定的計算方法稱為“m”法，可用于硬塑半堅硬的砂粘土、碎石土或風(fēng)化破碎成土狀的軟質(zhì)巖層以及重度隨深度增加的地層。 (3) 地基系數(shù)K及比例系數(shù)m應(yīng)通過試驗確定；當(dāng)無試驗資料時，可采用工程地質(zhì)類比方法確定。,86,K,K,K,K,y,K法,m法,C法,n=0,n=1,0n1,n1,87,（四）剛性樁與彈性樁的區(qū)分,抗滑樁受到滑坡推力后，將產(chǎn)生一定的變形。根據(jù)樁和樁周巖（土）的性質(zhì)和樁的幾何性質(zhì)，其變形可有兩種情況。 (1) 樁的位置雖發(fā)生了偏離，但是樁軸仍保持原有的線型；它之所以變形是由于樁周的巖（土）變形所致剛性樁。 (2) 樁的位置和樁軸線型同時發(fā)生改變，即樁軸和樁周巖（土）同時發(fā)生變形彈性樁。,88,f,f,剛性樁,彈性樁,89,試驗研究表明，當(dāng)樁埋入穩(wěn)定地層(即滑動面以下)內(nèi)的計算深度（樁的錨固深度h2與樁的變形系數(shù)或的乘積）為某一臨界值時，不管按剛性樁或按彈性樁計算，其水平承載力及傳遞到地層的壓力圖形均比較接近。因此，目前將這個臨界值作為判別剛性樁或彈性樁的標(biāo)準(zhǔn)。 臨界值規(guī)定如下： (1)按K法計算 當(dāng)h2 1.0時，抗滑樁屬剛性樁 當(dāng)h2 1.0時，抗滑樁屬彈性樁,90,其中：為樁的變形系數(shù)，以m-1計，可按下式計算：,式中： K地基系數(shù)（kN/m3）； BP樁的正面計算寬度（m）； E樁的彈性模量（kPa）； I樁的截面慣性矩（m4）。,91,(2)按m法計算 當(dāng) h22.5時，抗滑樁屬剛性樁; 當(dāng) h22.5時，抗滑樁屬彈性樁。 其中：為樁的變形系數(shù)，以m-1計，可按下式計算：,式中：m水平方向地基系數(shù)隨深度而變化的比例系數(shù)（kN/m4）。,92,抗滑樁的要素設(shè)計,（一）樁的平面位置及其間距 抗滑樁的平面位置和間距，一般應(yīng)根據(jù)滑坡的地層性質(zhì)、推力大小、滑動面坡度、滑坡厚度、施工條件、樁截面大小以及錨固深度等因素綜合考慮決定。 (1) 滑體的上部，滑動面陡，拉張裂縫多，不宜設(shè)樁；中部滑動面往往較深且下滑力大，亦不宜設(shè)樁；下部滑動面較緩，下滑力較小或系抗滑地段，經(jīng)常是較好的設(shè)樁位置。,93,94,(2) 抗滑樁的間距受許多因素的影響，目前尚無較成熟的計算方法。合適的樁間距應(yīng)該使樁間土體具有足夠的穩(wěn)定性，在下滑力作用下不致從樁間擠出。也就是說，可按樁間土體與兩側(cè)被樁所阻止的土體的摩擦力大于樁所承受的滑坡推力來估算 。規(guī)范規(guī)定抗滑樁樁間距宜為510m，一般取56m。,95,（二）樁的錨固深度,樁埋入滑面以下穩(wěn)定地層內(nèi)的適宜錨固深度，與該地層的強(qiáng)度、樁所承受的滑坡推力、樁的相對剛度以及樁前滑面以上滑體對樁的反力等有關(guān)。 確定標(biāo)準(zhǔn)：抗滑樁傳遞到滑面以下地層的側(cè)向壓應(yīng)力不大于該地層的容許側(cè)向抗壓強(qiáng)度，樁基底的最大壓應(yīng)力不得大于地基的容許承載力。,96,式中： 地層巖（土）的容重，（kN/m3）； 地層巖（土）的內(nèi)摩擦角，（）； c地層巖（土）的粘聚力（kPa）； h地面至計算點的深度，（m）。,1樁側(cè)支承條件 (1)土層及嚴(yán)重風(fēng)化破碎巖層 樁身對地層的側(cè)壓應(yīng)力（kPa）應(yīng)符合下列條件：,一般檢算樁身側(cè)壓應(yīng)力最大處，若不符合上式的要求，則調(diào)整樁的錨固深度或樁的截面尺寸、間距，直至滿足為止。,97,(2) 比較完整的巖質(zhì)、半巖質(zhì)地層 樁身對圍巖的側(cè)向壓應(yīng)力應(yīng)符合下列條件：,式中： K 換算系數(shù)，根據(jù)巖層在水平方向的容許承載力大小取定，取0.51.0； C折減系數(shù)，根據(jù)巖層的裂隙、風(fēng)化和軟化程度，取0.30.5； R巖石單軸擠壓極限強(qiáng)度(kPa)。 計算結(jié)果若不符合上式，則調(diào)整樁的錨固深度或截面尺寸、間距，直至滿足為止。,98,對于圓形截面樁，因樁周最大壓應(yīng)力為平均應(yīng)力的1.27倍，上式應(yīng)改寫為：,上述公式只能作為決定樁的錨固深度及校核地基強(qiáng)度的參考。常用的錨固深度，對于土層或軟質(zhì)巖層約為1/31/2樁長，對于完整、較堅硬的巖層可采用1/4樁長。三峽規(guī)范的建議值為1/32/5。,99,2樁底的支承條件 抗滑樁的頂端，一般為自由支承；而底端，由于錨固程度不同，可以分為自由支承、鉸支承、固定支承三種，通常采用前兩種。,100,（1）自由支承 當(dāng)錨固段地層為土體、松軟破碎巖時，現(xiàn)場試驗表明，在滑坡推力作用下，樁底有明顯的位移和轉(zhuǎn)動。樁底可按自由支承處理，即令QB=0、MB=0。 （2）鉸支承 當(dāng)樁底巖層完整，并較AB段地層堅硬，但樁嵌入此層不深時，樁底可按鉸支承處理，即令xB=0，MB=0。 （3）固定支承 當(dāng)樁底巖層完整、極堅硬，樁嵌入此層較深時，樁身B點處可按固定端處理，即令xB=0、B=0。但抗滑樁出現(xiàn)此種支承情況是不經(jīng)濟(jì)的，故應(yīng)少采用。,101,5.2.4 剛性樁的計算,剛性樁的計算方法較多，目前常用是懸臂樁法： 滑面以上抗滑樁受荷段上所有的力均當(dāng)做外荷載看等，樁前的滑體抗力按其大小從外荷載中予以折減，將滑坡推力和樁前滑面以上的抗力折算成在滑面上作用的彎矩和剪力并作為外荷載。而抗滑樁的錨固段，則把樁周巖土視為彈性體計算側(cè)向應(yīng)力和土的抗力，從而計算樁的內(nèi)力。,102,103,104,105,5.2.5 彈性樁的計算,彈性樁系指埋于滑床部分的樁身受力后樁軸和樁周巖（土）均發(fā)生變形。 在此僅介紹懸臂樁法: (1)將滑面以上抗滑樁受荷段上所有作用力均當(dāng)做外荷載，(2)根據(jù)樁周地層的性質(zhì)確定彈性抗力系數(shù)(即地基系數(shù))，建立樁的撓曲微分方程式，(3)通過數(shù)學(xué)求解可得滑面以下樁身任一截面的變位和內(nèi)力計算的一般表達(dá)式。(4)根據(jù)樁底邊界條件計算出滑面處的位移和轉(zhuǎn)角，(5)計算樁身任一深度處的變位和內(nèi)力。,106,107,108,109,110,5.2.5.2無量綱法,111,112,113,例5.2 自學(xué),114,5.3擋土結(jié)構(gòu),在港口、水利、路橋及房屋建筑等工程中，擋土結(jié)構(gòu)物（擋土墻）是一種常見的建筑物。 擋土結(jié)構(gòu)物的作用是用來擋住墻后的填土并承受來自填土的壓力。,115,116,117,118,119,120,121,122,5.3.1重力式擋土墻,重力式擋土墻是以擋土墻自身重力來維持其在水土壓力等作用下的穩(wěn)定。 它廣泛應(yīng)用于我國鐵路、公路、水利、礦山等工程；其缺點是工程量大，地基沉降大，它適合于擋土墻高度在56m的小型工程。,123,5.3.1.1重力式擋土墻的穩(wěn)定性,（1）抗傾覆穩(wěn)定驗算,124,（2）抗滑穩(wěn)定驗算,125,5.3.1.2增加擋土墻穩(wěn)定性的措施,(1)增加抗滑穩(wěn)定的措施 將擋土墻基底做成逆坡，利用滑動面上部分反力抗滑。 在擋墻底部增設(shè)凸榫基礎(chǔ)(防滑鍵)，以增大抗滑力。 在擋土墻基底鋪砂或碎石墊層以提高值，增大抗滑力。 (2)增加抗傾覆穩(wěn)定的方法 將墻背做成仰斜，可減小土壓力，但施工不方便。 做卸荷臺，如圖524所示，它位于擋土墻豎直墻背上。卸荷臺以上的土壓力不能傳遞到卸荷臺以下，土壓力呈兩個小三角形，因而減小了總土壓力，減小了傾覆力矩。 伸長墻前趾，加大穩(wěn)定力矩力臂。該措施混凝土用量增加不多，但需增加鋼筋用量。,126,5.3.1.3墻背地下水對擋土墻穩(wěn)定性的影響,擋土墻建成使用時，如遇暴雨，有大量雨水經(jīng)墻后填土下滲，結(jié)果使填土的內(nèi)摩擦角減小，重度增大，土的抗剪強(qiáng)度降低，土壓力增大，同時墻后積水，增加動水壓力或靜水壓力，對墻的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。在一定條件下，或因水壓力過大，或因地基軟化而導(dǎo)致?lián)跬翂ζ茐?。擋土墻破壞大部分是因為無排水措施或排水不良而造成的，因此擋土墻設(shè)計中必須設(shè)置排水。 為使墻后積水易排出，通常在擋土墻的下部設(shè)置泄水孔。當(dāng)墻高H12m時，可在墻的中部加一排泄水孔，一般泄水孔直徑為50lOOmm，間距為23m。為了減小動水力對擋土墻的影響，應(yīng)增密泄水孔，加大泄水孔尺寸或增設(shè)縱向排水措施。,127,5.3.2錨桿擋土墻與錨釘墻,5.3.2.1 錨桿擋土墻 錨桿擋土墻是由鋼筋混凝土面板及錨桿組成的支擋結(jié)構(gòu)物。面板起支護(hù)邊坡土體并把土的側(cè)壓力傳遞給錨桿，錨桿通過其錨固在穩(wěn)定土層中的錨固段所提供的拉力來保證擋土墻的穩(wěn)定，而一般擋土墻是靠自重來保持其穩(wěn)定。 錨桿擋土墻可作為山邊的支擋結(jié)構(gòu)物，也可用于地下工程的臨時支撐。對于開挖工程，它可避免內(nèi)支撐，以擴(kuò)大工作面而有利于施工，目前，錨桿在我國已得到廣泛應(yīng)用。,128,錨桿擋土墻按其鋼筋混凝土面板的不同，可分為柱板式和板壁式兩種型式。,129,130,(1)錨桿的布置與長度計算 錨桿布置包括確定錨桿的層數(shù)、錨桿的水平間距和錨桿的傾角等。 錨桿的層數(shù) 錨桿的層數(shù)取決于支擋結(jié)構(gòu)的截面和其所受的荷載，要考慮挖土后未經(jīng)設(shè)置錨桿時支擋結(jié)構(gòu)所能承受力的大小和位移控制的要求。錨桿層數(shù)越多施工工期越長。因此，錨桿層數(shù)的多少，必須根據(jù)支擋結(jié)構(gòu)承載力的大小、基坑工程的位移控制要求和基坑的穩(wěn)定性進(jìn)行合理的計算確定。在設(shè)計錨桿層位時，應(yīng)盡量避免在流砂層設(shè)置錨頭，以防流砂從錨孔流出。一般情況下，受層錨桿的錨固段的上覆土層不小于4m，相鄰排間距不小于2m。,131,錨桿的水平間距 錨桿的水平間距取決于支擋結(jié)構(gòu)承受的荷載和每根錨桿能承受的拉力值。在支擋結(jié)構(gòu)的荷載一定的情況下，錨桿水平間距越大，每根錨桿承受的拉力則越大，因此，需經(jīng)過計算確定。另外，錨桿的水平間距過小，則錨桿間回產(chǎn)生相互影響，使單根錨桿的抗拔力降低。錨桿的水平間距一般要大于1.5。 錨桿的傾角 錨桿傾角是指拉桿軸線與水平方向的夾角，其大小決定了錨桿水平分力和垂直分力的大小，也影響作錨固段和自由段的劃分，對錨桿的整體穩(wěn)定性和施工的便易也有影響。錨桿傾角一般為10-45，且不大于45。,132,錨桿長度：,133,5.3.2.2錨釘墻 （1）土釘墻,土釘墻是由放置在土體中的土釘體，被加固的土體和噴射混凝土面板組成，三者形成一個類似重力式墻的土擋土墻(圖527)，以此來 抵抗墻后傳來的土壓力我們稱這個土擋土墻為土釘墻。 土釘支護(hù)的加固機(jī)理 土釘墻的加固機(jī)理表現(xiàn)在以下幾個方面： a土釘對復(fù)合土體起著箍束骨架作用，從而提高了原位土體強(qiáng)度。 b土釘與土體間的相互作用。 土釘墻的穩(wěn)定分析,134,土釘支護(hù)的施工步驟,分層向下開挖，即開挖設(shè)計規(guī)定的較小厚度的一層土體； 在這一層土體的作業(yè)面上，按設(shè)計位置設(shè)置一排土釘； 在這一層土體的作業(yè)面上，構(gòu)筑混凝土面層，并使土釘筋體與面層聯(lián)結(jié)牢固； 重復(fù)上述施工步驟，直到設(shè)計的基坑開挖深度。,135,土釘支護(hù)的施工步驟,土釘墻施工順序圖,136,（2）錨釘墻 強(qiáng)錨弱釘支護(hù)體系 該體系以錨桿為基坑邊坡的主要加固手段，抑制基坑邊坡的整體剪切失穩(wěn)破壞，然后輔以土釘支護(hù)，抑制基坑邊坡局部破壞； 強(qiáng)釘弱錨支護(hù)體系 即以土釘為基坑邊坡的主要加固手段，形成土釘墻，然后輔以錨桿支護(hù)，限制土釘墻及墻后土體的位移。,137,5.3.3錨碇板擋墻,錨碇板擋墻是由墻面板、鋼拉桿及錨碇板和填料組成，如圖529。 鋼拉桿外端與墻面板相連，內(nèi)端與錨碇板相連，它與錨桿擋墻的區(qū)別是它不是靠鋼拉桿與填料間摩阻力來提供抗拔力，而是由錨碇板提供。 它是一種適合于填土的輕型支擋結(jié)構(gòu)。,138,5.3.3.1錨碇板,（1）內(nèi)力計算 按中心有支點的單向受彎構(gòu)件計算,139,（2）抗拔力計算,140,5.3.4加筋土擋墻,組成： 加筋土擋墻(圖532)由墻面板、拉筋和填料3部分組成。 工作原理： 是依靠填料與拉筋間的摩擦力，來平衡墻面板上所承受的土壓力；并以加筋與填料形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)來抵抗拉筋尾部填料所 產(chǎn)生的土壓力，從而保證加筋土擋墻的穩(wěn)定性。,141,142,Soil reinforcement concept,143,公路、鐵路中的應(yīng)用,路基加固 路堤邊坡加固 路塹邊坡加筋加固 路面加固 路塹路堤邊坡防護(hù)（坡面防護(hù)，沖刷防護(hù)） 過濾與排水 隧道防滲防漏,144,12.6 m,5.3 m,Rai